Однако наибольшее распространение получили мно-гоэмиттерные структуры, в которых каждый эмиттер имел форму длинной полоски. Эти структуры напомияают структуры с гребенчатым эмиттером, но отличаются тем, что в них отсутствует общая эмиттерная область, соединяющая отдельные полоски - зубцы. Преимущество многоэмиттерной структуры с полосковыми эмиттерами по сравнению с обычной гребенчатой заключается в том, что, исключив общую эмиттерную область, можно было бы резко уменьшить площадь эмиттерного и коллекторного переходов и в результате улучшить высокочастотные параметры транзисторов. Надо, однако, иметь в виду, что полностью избавиться от области, объединяющей эмиттеры, нельзя. Ее роль переходит к общей части металлической гребенки, через которую подводится ток к отдельным эмиттерам. Эта общая часть располагалась вне эмиттерных и базовой областей, над областью коллектора. Необходимо учитывать, что между базовой и эмиттерной контактными площадками и телом коллектора имеется емкость, включенная параллельно емкости перехода коллектор - база. Эта емкость может быть довольно значительной, однако ее можно уменьшить, если увеличить толщину диэлектрика между металлизированными площадками и коллекторной областью. В результате можно добиться существенного улучшения частотных свойств транзистора. Так, благодаря увеличению толщины диэлектрика между расположенной над коллектором эмиттерной контактной площадкой и областью коллектора удалось добиться, чтобы приборы, отдававшие на частоте 430 МГц в нагрузку 5 Вт, стали отдавать на той же частоте 20 Вт. Еще одно преимущество многоэмиттер-ной структуры с полосковыми эмиттерами по сравнению с гребенчатой структурой будет рассмотрено далее.

Увеличение периметра эмиттера и его отношения к площади эмиттера может быть также ограничено недостаточным совершенством технологии (невозможностью создавать слишком узкие эмиттерные .области) или по каким-либо другим причинам, по которым дальнейшее уменьшение ширины эмиттерных областей перестанет давать эффект. Так, помимо известного эффекта оттеснения тока эмиттера к его краю в ВЧ транзисторах может также играть роль затухание ВЧ сигнала при его проникновении в активную базовую область от края эмиттера по направлению к его центру. Учет этих двух эффектов приводит к установлению оптимальных значений для ширины эмиттерных полосок в многоэмит-терных полосковых структурах мощных ВЧ транзисторов (при обеспечении наибольшего рабочего тока для заданной площади коллекторного перехода). Однако в соответствии с результатами, полученными в [7], эти эффекты играют заметную роль только на частотах свыше 1 ГГц. На первых этапах разработки ВЧ транзисторов увеличение отношения периметра эмиттера и его площади, безусловно, приводило к повышению рабочего тока. Однако со временем технологический уровень позволил получать структуры с минимальным размером элементов около 2 - 3 и даже 1 мкм, а такая ширина полосок может уже оказаться меньше оптимальной [7].

Рис. 1.6. Оптимальная ширина эмиттерных полосок в многоэмиттерном транзисторе: 1, 2 и 3 - суммарные площади эффективно работающих частей эмиттерных

Существует еще одна причина, по которой оптимальная ширина эмиттерных полосок может и для ВЧ транзисторов оказаться существенно выше минимально достижимой ширины. Пусть площадь коллекторного перехода (т. е. площадь базовой области) будет иметь фиксированное значение. Область между соседними эмиттерами, в которой размещается базовый контакт и которая должна иметь минимально возможную ширину, также имеет фиксированные размеры, определяемые уровнем технологии. Если ширина отдельной эмит-терной полоски стремится к нулю, то в базовой области, имеющей заданные размеры, можно разместить определенное

конечное число эмиттерных полосок (не превышающее отношения ширины базовой области к минимально возможной ширине между соседними эмиттерами). В результате можно утверждать следующее. При стремлении ширины эмиттерной полоски к нулю рабочий ток для данной базовой области также будет стремиться к нулю. Но если в базовой области поместить только одну эмиттерную область, ширина которой будет почти равна ширине этой базовой области, то из-за оттеснения, в соответствии с которым эффективно работать будут только узкие области у краев эмиттера, рабочий ток для данной базовой области также будет достаточно мал. Очевидно, что для какого-то числа зубцов, меньшего, чем отношение ширины базовой области к ширине области между соседними эмиттерами, и тем самым для какой-то определенной ширины эмиттерной полоски рабочий ток будет максимальным. Можно показать, что при очень резком эффекте оттеснения эта оптимальная ширина эмиттерной полоски будет меньше, чем минимальная технологически достижимая ширина. Если же эффект оттеснения не очень резкий (плотность тока в центре полоски меньше плотности у края не более чем в 2 - 3 раза), то оптимальная ширина эмиттера будет превышать минимальную технологически достижимую ширину (рис. 1.6). На практике имеет место именно такое не слишком сильное оттеснение. Поэтому, как оказывается, в мощных ВЧ транзисторах при ширине области между соседними эмиттерами около 10 мкм оптимальная ширина эмиттерной полоски будет составлять от 10 до 20 мкм.

При большом числе очень узких элементов рабочий ток мал (рис. 1.6,я). При оптимальной ширине эмит-терных полосок и оптимальном числе элементов рабочий ток максимален (рис. 1.6,6). На рис. 1.6,# показан один очень широкий эмиттер, рабочий ток в этом случае мал. На рис. 1.6,а - в заштрихованы те части эмиттеров, которые работают достаточно эффективно. При одном очень широком эмиттере он почти весь не заштрихован, так как практически не работает.

Рис. 1.7. Структура с кольцевыми эмиттерами и стабилизирующими эмиттерными резисторами.

1 - эмиттер; 2 - база; 3 - коллектор; 4 - стабилизирующий эмит-герчий резистор; 5 - металлизация эмиттера; 6 - защитный окисел; 7 - металлизация базы; 8 - металлизация коллектора; Р - контактное эмиттерное окно; 10 - контактное базовое окно

В транзисторных структурах с сильно развитым периметром эмиттера распределение тока между частями эмиттера сложной (гребенчатой или сетчатой) формы, а также между отдельными эмиттерами в overlay-структуре или многоэмиттер-ной полосковой структуре чрезвычайно неравномерно. Дело в том, что в биполярных транзисторах существует явление положительной тепловой обратной связи. Если, например, какой-либо из большого числа отдельных эмиттеров по какой-то причине начал инжектировать несколько больший ток, чем остальные, то область структуры вблизи от этого эмиттера разогреется чуть сильнее остальной части структуры. По этой причине уменьшится входное сопротивление для этого эмиттера, и ток через него возрастет еще больше. В результате через этот эмиттер может пойти достаточно большой ток (иногда значительная часть всего тока, протекающего через прибор), и в транзисторе может наступить так называемый вторичный пробой [8, 9]. Даже если пробоя не произойдет, наличие резко неравномерного распределения тока между отдельными эмиттерами весьма отрицательно скажется на характеристиках транзистора. Чтобы избежать этого, необходимо ввести в транзисторную структуру элементы, которые обеспечивали бы отрицательную обратную связь, компенсирующую положительную тепловую обратную связь.

Такими элементами могут быть стабилизирующие или выравнивающие резисторы, включаемые последовательно с каждым из эмиттеров в многоэмиттерной транзисторной структуре. Если при этом ток через какой-либо эмиттер возрастает, то увеличивается падение напряжения на включенном последовательно с ним резисторе и вследствие этого, уменьшается открывающее напряжение и ограничивается ток через этот эмиттер.

Для практической реализации стабилизирующих резисторов в транзисторных структурах существует много

конструктивно-технологических решений. В гребенчатых структурах, например, можно в качестве таких резисторов использовать участки самих эмиттерных зубцов, примыкающих к общей части эмиттера [10]. В структурах типа overlay таким резистором может служить внутренняя часть эмиттерной области. Так,. в [11] описана структура с эмиттером в виде кольца (рис. 1.7). Во внутреннюю часть кольца осуществляется диффузия тех же примесей, но на меньшую глубину и с более высоким поверхностным сопротивлением. Эта часть выполняет функции стабилизирующего резистора. Благодаря более высокому поверхностному сопротивлению удается увеличить сопротивление стабилизирующего резистора и повысить его действие, а благодаря меньшей глубине диффузии в этой области удается добиться того, чтобы она не работала как эмиттер (т. е. не инжектировала ток в расположенную под ней базовую область).

В многоэмиттерной полосковой структуре для создания эмиттерных резисторов может использоваться специально суженная часть полосок эмиттерной металлизации. Можно также использовать в качестве резисторов пленку из какого-либо сравнительно высокоомного сплава (например, нихрома), включаемую в специально созданные разрывы эмиттерной металлизации [12] или специальные диффузионные области, создаваемые вне транзисторной структуры [13].

Безусловное преимущество полосковых структур по сравнению с гребенчатыми заключается в том, что в по-лосковых структурах стабилизирующие резисторы создать проще и стабилизация в этих структурах может быть осуществлена эффективнее, чем в гребенчатых структурах.

Говоря о различных формах эмиттеров в многоэмит-терных приборах, надо упомянуть о том, что, стремясь увеличить отношение периметра к площади, разработчики мощных ВЧ транзисторов иногда заменяют полос-ковые эмиттеры эмиттерными областями более сложной формы: эмиттерным областям придается форма полосок с волнистыми краями или двухсторонних гребенок с короткими зубцами.

Остановимся на форме и размерах базовых областей. У рассмотренных вариантов структур с различными очертаниями и размерами эмиттеров базовые области имеют прямоугольную форму со скругленными углами. Причины такого скругления мы рассмотрим немного дальше. Размеры базовых областей в мощных ВЧ транзисторах - это одна из характеристик, которая может быть выбрана только в результате тщательной оптимизации. С точки зрения улучшения высокочастотных усилительных свойств площадь базовой области должна быть минимальной, так как она определяет коллекторную емкость прибора. Поэтому добиваются увеличения отношения периметра эмиттера к его площади (так как площадь эмиттера составляет значительный процент площади базовой области), доводят до минимума расстояние между отдельными эмиттерами в многоэмит-терной структуре, располагают контактные площадки эмиттера и базы вне базовой области (над телом коллектора) и увеличивают толщину диэлектрического слоя под этими площадками. Перечисленные мероприятия,, позволяющие уменьшить размеры базовых областей, - одно из основных направлений конструирования мощных ВЧ транзисторов. В то же время при слишком большом увеличении площади базовой области начинают сказываться тепловые ограничения: с уменьшением площади структуры уменьшается и площадь выделения тепла, что приводит к росту теплового сопротивления транзистора. Возникает противоречие, пути решения которого рассмотрены далее.

Помимо размеров и формы, описывающих очертания эмиттерных и базовых областей в плоскости, параллельной поверхности полупроводникового кристалла, эти области характеризуются размерами в направлении, перпендикулярном поверхности, т. е. глубиной.

Основным фактором, определяющим глубину залегания эмиттерного и коллекторного переходов, являются требования к их частотным свойствам: граничная частота транзисторной структуры зависит в первую очередь от толщины активного базового слоя, т. е. от расстояния между эмиттерным и коллекторным переходами. Для класса мощных ВЧ транзисторов с верхней границей рабочих частот от 30 до 80 - 100 МГц это расстояние составляет от 1,4 - 1,6 до 0,9 - 1,1 мкм. Получить такую толщину базовой области в принципе можно создавая структуры с различной глубиной залегания эмиттерного и коллекторного переходов. Однако с технологической точки зрения получать тонкий базовый слой как разность сравнительно глубоко залегающих переходов неправильно, так как подобная структура будет «технологически неустойчивой» (небольшие относительные колебания глубины коллектора или эмиттера будут приводить к резким изменениям толщины базовой области). Кроме того, при таком соотношении размеров (глубокие коллектор и эмиттер и тонкая база) не очень удачным будет распределение примесей в структуре: не будет достаточно крутым градиент распределения примесей у эмиттерного перехода и трудно будет добиться высокого содержания примесей в активной базовой области (рис. 1.8). Поэтому у современных мощных ВЧ транзисторах глубина эмиттерного перехода близка к толщине активной базовой области, т. е. глубина эмиттерного перехода составляет 1,4 - 1,8 мкм, а глубина коллекторного перехода под эмиттером - от 2,5 до 3,5 мкм.

В то же время существуют причины, по которым глубина переходов (по крайней мере, коллекторного) должна быть как можно больше. Так, пробивное напряжение электронно-дырочного перехода зависит от его формы. Для плоских переходов оно определяется концентрацией и распределением примесей по обе стороны от перехода, а для переходов, ограниченных искривле-ной поверхностью, оно снижается по сравнению с тем, что было бы при плоском переходе (с таким же распределением примесей, как и в неплоском переходе в направлении нормали к его поверхности). Для переходов с цилиндрической формой границы в интервале концентраций легирующих примесей в исходном кремнии 1 - 5-1015 ат/см3 пробивное напряжение при радиусе кривизны 2,5 - 3,5 мкм может снижаться в 2 - 3 раза. Еще резче снижение пробивного напряжения для переходов со сферической формой границы.